UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE CIÊNCIAS RURAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DO SOLO
Pâmela Oruoski
MINERALIZAÇÃO DO CARBONO E DO NITROGÊNIO DE
RESÍDUOS DA INDÚSTRIA FUMAGEIRA NO SOLO E
FORNECIMENTO DE NITROGÊNIO AO CAPIM SUDÃO
Santa Maria, RS
2019
Pâmela Oruoski
MINERALIZAÇÃO DO CARBONO E DO NITROGÊNIO DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA FUMAGEIRA NO SOLO E FORNECIMENTO DE NITROGÊNIO
AO CAPIM SUDÃO
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-graduação em Ciência do Solo, Área de Concentração Biodinâmica e Manejo do Solo, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência do Solo.
Orientador: Prof. Dr. Celso Aita
Santa Maria, RS 2019
This study was financied in part by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) – Finance Code 001
Oruoski, Pâmela Mineralização do carbono e do
nitrogênio de resíduos da indústria fumageira no solo e fornecimento de nitrogênio ao capim sudão / Pâmela Oruoski.- 2019. 75 p.; 30 cm
Orientador: Celso Aita
Coorientadora: Janquieli Schirmann
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Ciências Rurais, Programa de Pós
Graduação em Ciência do Solo, RS, 2019
1. Adubação orgânica 2. Decomposição 3. Dinâmica do nitrogênio 4. Produtividade de plantas 5. Eficiência de uso do Nitrogênio I. Aita, Celso II. Schirmann,
Janquieli III. Título.
Sistema de geração automática de ficha catalográfica da UFSM. Dados fornecidos pelo autor(a). Sob supervisão da Direção da Divisão de Processos Técnicos da Biblioteca Central. Bibliotecária responsável Paula Schoenfeldt Patta CRB 10/1728
Declaro, PÂMELA ORUOSKI, para os devidos fins e sob as penas da lei, que a pesquisa constante neste trabalho de conclusão de curso (Dissertação) foi por mim elaborada e que as informações necessárias objeto de consulta em literatura e outras fontes estão devidamente referenciadas. Declaro, ainda, que este trabalho ou parte dele não foi apresentado anteriormente para obtenção de qualquer outro grau acadêmico, estando ciente de que a inveracidade da presente declaração poderá resultar na anulação da titulação pela Universidade, entre outras consequências legais.
Pâmela Oruoski
MINERALIZAÇÃO DO CARBONO E DO NITROGÊNIO DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA FUMAGEIRA NO SOLO E FORNECIMENTO DE NITROGÊNIO
AO CAPIM SUDÃO
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-graduação em Ciência do Solo, Área de Concentração Biodinâmica e Manejo do Solo, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência do Solo.
Aprovado em 05 de agosto de 2019:
__________________________________________ Celso Aita, Dr. (UFSM)
(Presidente/Orientador)
__________________________________________ Leandro Souza da Silva, Dr. (UFSM)
__________________________________________ Frederico Costa Beber Vieira, Dr. (Unipampa)
Santa Maria, RS 2019
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pela vida, por guiar meus passos e proporcionar-me saúde e persistência na busca constante dos meus sonhos.
A minha família que mesmo distante é meu apoio, em especial a minha mãe Maria Salete, que sempre me ouve e diante dos percalços me encoraja a seguir em frente. Aos meus queridos nonos Engracia e Stanislau (in memorian) que me ensinaram os valores que levo para a vida.
Ao meu namorado Maicon, pelo carinho e apoio em todas as circunstâncias, e por compreender meus momentos difíceis, tornando-os mais fáceis através da compreensão e otimismo.
À Universidade Federal de Santa Maria e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo, pelo ensino público de qualidade.
Ao meu orientador, Prof. Celso Aita, pelo auxílio diário, tanto nas atividades práticas quanto teóricas, pelas palavras de incentivo, ensinamentos compartilhados e pela confiança em mim depositada.
À CAPES, pela concessão da bolsa de mestrado, que possibilitou a execução deste trabalho.
À empresa JTI Processadora de Tabaco do Brasil e à Fundação para Proteção Ambiental de Santa Cruz do Sul, que nos apoiaram na execução deste trabalho.
Aos atuais e ex-colegas da pós-graduação do LABCEN, Adriane, Ana Paula, Bruno, Caren, Douglas, Heitor, Getúlio, Guilherme, Janquieli, José Flávio, Patrick, Raquel, Rosemar e Stefen, pelo acolhimento, amizade e prestatividade.
Em especial, a Rosemar e ao Heitor, pela imprescindível ajuda em todos os momentos. Também ao Stefen, por todo auxílio desde o início do mestrado.
Aos atuais e ex-bolsistas de iniciação cientifica, do LABCEN, Ana Luiza, Cristian, Gabriel, Kathleen, Matheus, Paula, Pedro, Poliana, Renata, Samanta e Wanuse, obrigada por toda a ajuda, sem vocês tudo seria mais difícil.
Aos funcionários do Departameto de Solos, pela colaboração com as atividades de campo.
À banca examinadora, pela disponibilidade e pelas importantes contribuições. Por fim, a todos os meus amigos, de perto e de longe, que fazem parte da minha vida, um agradecimento especial a cada um de vocês!
"Quanto mais eu estudo a natureza mais fico impressionado com a obra do Criador. Na menor de suas criaturas Ele colocou propriedades extraordinárias. Um pouco de ciência nos afasta de Deus, muito nos aproxima"
RESUMO
MINERALIZAÇÃO DO CARBONO E DO NITROGÊNIO DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA FUMAGEIRA NO SOLO E FORNECIMENTO DE NITROGÊNIO
AO CAPIM SUDÃO
AUTORA: Pâmela Oruoski ORIENTADOR: Celso Aita
O aproveitamento de resíduos agropecuários e industriais como fertilizante agrícola, além de reduzir passivos ambientais, permite a produção de culturas com menor demanda por fertilizantes minerais. O processamento de tabaco nas indústrias fumageiras gera grande quantidades de resíduos, denominado de pó de tabaco. Esse pó possui potencial para uso agrícola, no entanto devido a restrições na legislação quanto a sua incorporação direta no solo e por problemas de aplicação como geração excesiva de poeira e maus odores, ele é transformado em um composto para uso agrícola via fermentação em estado sólido. Por se tratar de um processo recente, são necessários estudos sobre o potencial que esse composto tem de fornecer nutrientes às culturas. Nessa perspectiva, o objetivo desse trabalho foi avaliar o efeito do tipo de solo e do modo de aplicação de pó de tabaco e do composto no solo sobre a mineralização do C e do N em condições controladas e também o potencial fertilizante do composto ao capim sudão em condições de campo. Foi realizada uma incubação em laboratório durante 100 dias, em dois solos com características químicas e físicas contrastantes (Argissolo e Neossolo Flúvico), para avaliar o efeito da localização no solo (incorporação e aplicação superficial) sobre a mineralização do C e do N do pó e do composto. A mineralização do C e do N foi maior no pó de tabaco do que no composto, independentemente do tipo de solo e da localização dos resíduos orgânicos no solo. Em média, 44 % do C e 20 % do N do pó de tabaco foram mineralizados em 100 dias e 36 % do C e 12 % do N do composto. O tipo de solo afetou a mineralização do C e do N dos resíduos orgânicos apenas na fase inicial de decomposição, sendo maior no solo arenoso. A mineralização do N dos resíduos orgânicos não foi afetada pelo modo de aplicação no solo com menor teor de argila (Neossolo Flúvico), enquanto no solo com maior teor de argila (Argissolo) ela foi maior quando os resíduos foram adicionados na superfície do solo. No campo foram aplicadas no solo diferentes doses do composto de pó de tabaco para avaliar seu efeito na produção de matéria seca (MS), no acúmulo de nitrogênio (N) pelas plantas e nos índices de eficiência do N no capim sudão. Foram testadas diferentes doses de composto: 0, 11, 22 e 44 Mg ha-1, além de um tratamento com adubação mineral, NPK, de modo incorporado
e na superfície do solo. A aplicação do composto em superfície refletiu em maior produtividade e eficiência agronômica quando comparada a sua incorporação no solo. Quanto maior a dose do composto de tabaco aplicada, maior foi a produção de MS e o acúmulo de N, no entanto menor a eficiência agronômica e a recuperação aparente do N. No tratamento com NPK a produção de MS e acúmulo de N foi semelhante ao tratamento onde foram aplicadas 11 Mg ha-1 do composto.
Palavras chave: Decomposição. Dinâmica do N. Adubação orgânica. Modo de aplicação. Eficiência agronômica.
ABSTRACT
CARBON AND NITROGEN MINERALIZATION OF TOBACCO INDUSTRIES RESIDUES IN SOIL AND NITROGEN SUPPLY TO SUDAN GRASS
AUTHOR: Pâmela Oruoski ADVISOR: Celso Aita
The use of agricultural and industrial residues as agricultural fertilizer besides to reduce environmental problems, allows the crop production with lower demand for mineral fertilizers. The tobacco processing in industries produces large amount of residues, called tobacco powder. This powder has potential to use in agriculture, however due the brazilian legislation that restrict its incorporation directaly in soils and excessive dust generation and bad odors it is transformed in compost for agricultural use through solid state fermentation (SSF). The SSF to treat tobacco residues is a recent process therefor are necesary studies about for nutrients supply to crops. The objective of this study was to evaluate the efect of soil type and application mode of tobacco powder and compost on carbon (C) and nitrogen (N) mineralization under laboratory conditions and under field conditions the fertilizer potential of the compost for sudan grass. Was performed a incubation during 100 days, in two contrasting soilsto evaluate the efect of the location (incorporated or surface applied) about the C and N mineralization of the powder and compost. The C and N mineralization was greater in the powder than in the compost regardless of the soil type and residue location. In average, 44% C and 20% N of the tobacco powder were mineralized in 100 days and 36% C and 12% N of the compost. The soil type affected of the C and N mineralization only in the initial stage of decomposition and was higher in sandy soil. The mineralization of N from organic residues was not affected by residue location in sandy soil, but in clay soil the N mineralization was higher when the residues were placement on surface. In the field, different doses of compost were applied in soil to evaluate the effect on dry matter (DM) production, on N accumulation by plants and nitrogen use efficiency by plants of sudan grass. Were tested the doses: 0, 11, 22 and 44 Mg ha-1 of compost besides a treatment with mineral adubation, incorporated or applied on soil surface. The aplication on surface resulted in higher productivity and N accumulated when comparated the incorporated of composto on soil. Higher doses resulted in higher DM and N acumulated, however lower efficiency of the use of N. In treatment whit mineral fertilizer the DM production and N acumulatted were similar to the treatment with 11 Mg ha-1 of compost.
Keywords: Decomposition. N Dynamics. Organic fertilization. Aplication mode. Agronomic efficiency.
LISTA DE TABELAS
ARTIGO I
Tabela 1 - Caracterização dos solos utilizados no experimento de incubação ... 41 Tabela 2 - Principais características dos materiais orgânicos e quantidades adicionadas aos solos, em base seca ... 41 Tabela 3 - Carbono mineralizado em percentual do carbono total adicionado dos resíduos pó de tabaco e composto orgânico em dois solos contrastantes, em dois modos de aplicação (incorporado e superfície) durante a incubação. ... 42 Tabela 4 - N mineralizado em percentual do nitrogênio orgânico adicionado dos resíduos pó de tabaco e composto orgânico em dois solos contrastantes, em dois modos de aplicação (incorporado e superfície) durante a incubação. ... 43
ARTIGO II
Tabela 1 - Caracterização do composto orgânico de resíduo de tabaco e quantidades aplicadas no solo nas três doses avaliadas. Santa Maria, RS, Brasil...65 Tabela 2 - Produção de matéria seca, acúmulo de nitrogênio (N), eficiência agronômica do N (EAN) e recuperação aparente do N (RAN), pelo capim sudão, após a aplicação de três doses do composto de resíduos de tabaco e da adubação mineral (NPK). ... 65
LISTA DE FIGURAS
ARTIGO I
Figura 1 - Fluxos de CO2 (A, B), fluxos de CO2 em percentual de C adicionado ao dia (C,
D) e percentual de C mineralizado em relação ao C total adicionado (E, F) do pó de tabaco e do composto orgânico, durante a incubação, nos solos I (A, C, E) e II (B, D, F), respectivamente. As barras indicam o erro padrão da média (n=4). ... 44 Figura 2 - N mineral (A, B), N mineralizado (C, D) e percentual de N mineralizado em relação ao N orgânico adicionado (E, F) do pó de tabaco e do composto orgânico, durante a incubação, nos solos I (A, C, E) e II (B, D, F), respectivamente. As barras verticais indicam o erro padrão das médias (n=3). ... 45 ARTIGO II
Figura 1 - Temperaturas máxima, média e mínima diárias do ar e precipitação pluviométrica durante o cultivo de capim sudão. S = semeadura da cultura; 1º, 2º e 3º cortes = indicam os momentos em que foi realizado cada corte, simulando pastejos. ... 66 Figura 2 - Matéria seca produzida pela parte aérea das plantas de capim sudão, na média dos dois modos de aplicação, no primeiro, segundo e terceiro cortes após adubação com composto de tabaco e com fertilizante mineral. ... 66 Figura 3 - Matéria seca total da parte aérea do capim sudão em função das doses do composto de tabaco e da adubação mineral (NPK, linha tracejada) aplicadas no solo...67 Figura 4 - Nitrogênio acumulado na parte aérea das plantas de capim sudão, na média dos dois modos de aplicação, no primeiro, segundo e terceiro cortes após adubação com composto de tabaco e com fertilizante mineral. ... 67 Figura 5 - Acúmulo de nitrogênio na parte aérea do capim sudão em função das doses de composto de tabaco e da adubação mineral (NPK, linha tracejada) aplcada ao solo...68 Figura 6 - Eficiência agronômica do nitrogênio (EAN, em “A”) e recuperação aparente do N (RAN, em “B”) nas plantas ...68
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO GERAL ... 11 2 HIPÓTESES E OBJETIVOS ... 13 2.1 HIPÓTESES ... 13 2.2 OBJETIVOS ... 13 2.2.1 Objetivos gerais ... 13 2.2.2 Objetivos específicos ... 13
3 ARTIGO 1: MINERALIZAÇÃO DO CARBONO E DO NITROGÊNIO DE RESÍDUOS DE TABACO EM DOIS SOLOS CONTRASTANTES ... 14
3.1 RESUMO ... 14
3.2 INTRODUÇÃO ... 16
3.3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 17
3.3.1 Coleta e principais características dos solos ... 18
3.3.2 Materiais orgânicos ... 18
3.3.3 Experimentos de incubação ... 19
3.3.4 Análise estatística ... 22
3.4 RESULTADOS ... 22
3.4.1 Mineralização do carbono dos resíduos orgânicos ... 22
3.4.2 Mineralização do nitrogênio do solo e dos resíduos orgânicos ... 23
3.5 DISCUSSÃO ... 25
3.5.1 Mineralização do C ... 25
3.5.2 Mineralização do N ... 30
3.6 CONCLUSÕES ... 36
3.7 REFERÊNCIAS ... 37
4 ARTIGO 2: PRODUTIVIDADE E ACÚMULO DE NITROGÊNIO NO CAPIM SUDÃO APÓS APLICAÇÃO DE COMPOSTO ORGÂNICO DE RESÍDUO DE TABACO ... 46
4.1 RESUMO ... 46
4.2 INTRODUÇÃO ... 48
4.3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 49
4.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 53
4.4.1 Efeito modo de aplicação do composto orgânico e fertilizante mineral ... 53
4.4.2 Efeito doses de composto orgânico e fertilizante mineral aplicados ... 54
4.4.3 Potencial fertilizante do composto de pó de tabaco ... 60
4.5 CONCLUSÕES ... 61
4.6 REFERÊNCIAS ... 62
5 DISCUSSÃO GERAL ... 69
6 CONLUSÕES GERAIS ... 72
1 INTRODUÇÃO GERAL
A produção de tabaco é uma importante atividade econômica e social em diversas regiões do Brasil, com destaque para a região sul, que é responsável por 97% da produção nacional (AFUBRA, 2019). O processamento das folhas de tabaco pelas indústrias fumageiras gera grande quantidade de resíduos, os quais são genericamente denominados de “pó de tabaco” e representam cerca de 2% do total processado. Em função do seu potencial como fertilizante agrícola (SHAKEEL, 2014), o destino usualmente dado a esse subproduto era a incorporação ao solo (LAUSCHNER et al., 2005). No entanto, restrições na legislação brasileira e inconvenientes na sua aplicação, principalmente pela geração excessiva de poeira e a emissão de maus odores, tornaram necessário o tratamento prévio desses resíduos, antes da sua aplicação no solo. Além disso, a nicotina presente no tabaco é tóxica e pode oferecer riscos à saúde humana e animal (ROHERS, 2012), além de exercer efeito inibitório sobre a população microbiana do solo (ADEDIRAN et al., 2003). A transformação de pó de tabaco em um composto orgânico por meio do processo biológico de fermentação em estado sólido (FES) tem sido adotada pela Fundação para Proteção Ambiental de Santa Cruz do Sul – RS (FUPASC) como uma alternativa para mitigar o potencial poluidor desse resíduo e facilitar seu uso agrícola, atendendo a exigência da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS 12.305/2010). No entanto, por se tratar de um processo de tratamento recente, pouco se conhece sobre aspectos como: a) características do produto final, denominado de composto; b) dinâmica do carbono (C) e do nitrogênio (N) após sua aplicação no solo e c) sobre o potencial do composto em fornecer nutrientes às culturas. A compostagem do pó de tabaco associado a outros resíduos como, por exemplo, dejetos de animais, tem sido relatada em alguns estudos (ADEDIRAN et al., 2004; OKUR et al., 2008), porém não foram encontrados resultados de pesquisa com foco no tratamento exclusivamente do pó de tabaco.
A inclusão de um composto orgânico originado do tratamento do pó de tabaco via FES em programas de fertilização de culturas depende do conhecimento sobre a cinética de mineralização dos nutrientes no solo, principalmente do N adicionado, fundamental ao estabelecimento de doses a aplicar nas diferentes culturas. Se por um lado, o uso de subdosagens pode comprometer o fornecimento de N e limitar o desenvolvimento vegetal, o uso de doses excessivas pode resultar em contaminação ambiental, principalmente por lixiviação de nitrato (NO3-) e emissão de óxido nitroso (N2O) durante
os processos microbianos de nitrificação e a desnitrificação (THANGARAJAN et al., 2013).
O conhecimento sobre a mineralização do C do material orgânico também é relevante para poder estabelecer o impacto do seu uso agrícola sobre a emissão do gás de efeito estufa dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera e sobre o acúmulo de matéria
orgânica no solo. O efeito positivo da adubação orgânica sobre a produtividade das culturas pode ser indireto, pelo incremento de carbono orgânico e melhorias nos atributos químicos e físicos do solo e também direto, através do fornecimento de nutrientes às plantas, o que pode tornar a adubação orgânica uma interessante alternativa aos fertilizantes minerais (CELESTINA et al., 2019).
A disponibilidade dos nutrientes ligados à fração orgânica dos resíduos vegetais, como o pó de tabaco, está condicionada à sua decomposição pelos microrganismos do solo (MASUNGA et al., 2016), os quais dependem das características do próprio resíduo e de atributos do solo (COTRUFO et al., 2013), além de fatores ligados ao clima (CANTARELA et al., 2008). Práticas de manejo adotadas em diferentes sistemas de cultivo também podem alterar a dinâmica de decomposição dos resíduos. Por essa razão, os diferentes sistemas adotados para o preparo do solo tais como cultivo reduzido, cultivo convencional ou plantio direto, podem influenciar na degradação desses materiais orgânicos pela população heterotrófica do solo, com consequências na liberação de nutrientes.
A decomposição de resíduos de tabaco no solo foi avaliada por Hadas et al. (2004), mas não foram encontrados resultados de pesquisa tratando especificamente da avaliação da decomposição do composto de pó de tabaco no solo e nem sobre o potencial deste material orgânico em fornecer N às plantas. Essas informações são necessárias para poder recomendar a ciclagem da agricultura dos nutrientes contidos nos resíduos gerados pela indústria fumageira, sobretudo no sul do Brasil, onde a produção de tabaco é expressiva. Além contribuir à sustentabilidade do sistema de produção de tabaco, a ciclagem agrícola eficiente dos nutrientes dos resíduos produzidos pela indústria fumageira, com destaque para o N, também deverá agregar valor a essa atividade de grande relevância econômica e social para o meio rural.
2 HIPÓTESES E OBJETIVOS
2.1 HIPÓTESES
a) A adição ao solo do composto produzido através do processo de FES do pó de tabaco resulta em redução na taxa de mineralização de C e na imobilização líquida de N, em relação à adição do pó de tabaco in natura.
b) A taxa de mineralização do C e do N do composto e do pó de tabaco está diretamente relacionada aos teores de argila e de matéria orgânica do solo.
c) A incorporação ao solo do composto e do pó de tabaco aumenta a decomposição dos materiais orgânicos, em relação à aplicação na superfície do solo.
d) O uso do composto produzido a partir da FES do pó de tabaco como fonte exclusiva de fertilizante consegue suprir a demanda de nutricional do capim sudão.
2.2 OBJETIVOS 2.2.1 Objetivos gerais
Avaliar o efeito do tipo de solo e do modo de aplicação de pó de tabaco e do composto no solo sobre a mineralização do C e do N dos materiais orgânicos em condições controladas e também o potencial fertilizante do composto ao capim sudão em condições de campo.
2.2.2 Objetivos específicos
a) Comparar a mineralização do C e do N do pó de tabaco e do composto em dois solos contrastantes, variando o modo de aplicação dos materiais orgânicos no solo (incorporação x aplicação superficial).
b) Avaliar o potencial fertilizante do composto de pó de tabaco ao capim sudão em função da dose utilizada e do modo de aplicação no solo (incorporação x aplicação superficial).
3 ARTIGO 1: MINERALIZAÇÃO DO CARBONO E DO NITROGÊNIO DE RESÍDUOS DE TABACO EM DOIS SOLOS CONTRASTANTES1
3.1 RESUMO
Resíduos da indústria fumageira são produzidos em grande quantidade no Sul do Brasil e o destino principal desses resíduos é o solo, porém pouco se sabe sobre a dinâmica de mineralização do carbono (C) e do nitrogênio (N) após a aplicação desses resíduos orgânicos no solo. Para avaliar o efeito do tipo de solo e do modo de aplicação (incorporação e aplicação superficial) sobre a mineralização do C e do N de dois resíduos da indústria fumageira, sendo um o pó de tabaco in natura e o outro um composto produzido via fermentação em estado sólido do pó, foi conduzido uma incubação em laboratório durante 100 dias. A mineralização do C e do N foi maior no pó de tabaco do que no composto, independentemente do tipo de solo e da localização dos resíduos orgânicos no solo. Em média, 44% do C e 20% do N do pó de tabaco foram mineralizados em 100 dias, contra 36% do C e 12% do N do composto. O tipo de solo afetou a mineralização do C e do N dos resíduos orgânicos apenas na fase inicial da incubação, com os maiores valores no solo com menor teor de argila. A mineralização do N dos resíduos orgânicos não foi afetada pelo modo de aplicação no solo com menor teor de argila, enquanto no solo com maior teor de argila ela foi maior quando os resíduos foram adicionados na superfície do solo.
Palavras chave: Matéria orgânica do solo. Decomposição. Dinâmica do nitrogênio. Adubação orgânica
CARBON AND NITROGEN MINERALIZATION OF TOBACCO RESIDUES IN TWO CONTRASTING SOILS
ABSTRACT
Tobacco indutries residues are produced in large quantities in southern Brazil and the main destination of these residues is the soil, but little is known about the carbon (C) and nitrogen (N) dynamics after the application of these organic residues in the soil. To evaluate the effect of soil type and application method (incorporation and surface application) on the C and N mineralization of two tobacco residues, the fresh tobacco powder and a compost produced via solid state fermentation (SSF) of the powder, an incubation in the laboratory was conducted for 100 days. The C and N mineralization was greater in the powder than in the compost regardless of the soil type and residue location. In average, 44% C and 20% N of the tobacco powder were mineralized in 100 days and 36% C and 12% N of the compost. The soil type affected of the C and N mineralization only in the initial stage of decomposition and was higher in sandy soil. The mineralization of N from organic residues was not affected by residue location in sandy soil, but in clay soil the N mineralization was higher when the residues were placement on surface.
3.2 INTRODUÇÃO
O “pó de tabaco” é um subproduto gerado nas indústrias tabagistas durante o beneficiamento das folhas de tabaco e representa aproximadamente 2% do total processado. Na região do Vale do Rio Pardo, no Rio Grande do Sul, onde está instalado o maior complexo fumageiro mundial, são geradas grandes quantidades desses resíduos. Devido ao seu potencial como fertilizante agrícola, esse subproduto era usualmente incorporado ao solo como fonte de carbono e nutrientes às culturas (Shakeel, 2014). Entretanto, inconvenientes na sua aplicação, como a geração excessiva de poeira e a emissão de maus odores, tornam necessário o tratamento desses resíduos antes da aplicação no solo.
O uso recente do processo biológico de fermentação em estado sólido (FES) para o tratamento do pó de tabaco, convertendo-o em composto, tem se mostrado promissor com vistas à reciclagem deste resíduo na agricultura, principalmente na adubação para a produção de grãos e forragem. A expectativa da usina de compostagem operada pela Fundação para Proteção Ambiental de Santa Cruz do Sul (FUPASC) é de produzir 11,6 mil toneladas do composto orgânico em 2019.
A utilização de resíduos agrícolas e industriais para a produção de fertilizantes orgânicos é considerada como uma estratégia de gerenciamento de resíduos ambientalmente correta, pois permite a ciclagem de nutrientes no local (Viaene et al., 2017). Além disso, a adubação orgânica é usada em sistemas de produção agrícola como alternativa aos fertilizantes minerais. A resposta positiva das culturas ao uso da adubação orgânica está associada não apenas à liberação de nutrientes, mas também ao aumento no estoque de matéria orgânica do solo (Celestina et al., 2019), que proporciona melhorias na atividade biológica, na estrutura do solo e na retenção de água, entre outros benefícios (Lal, 2005).
Além da composição química dos resíduos orgânicos, estudos indicam que as características do solo (Cotrufo et al., 2013) e o modo de aplicação dos mesmos no solo (Aita et al., 2012; Li et al., 2013) controlam a sua decomposição e ciclagem dos nutrientes neles contidos. Dentre as características do solo, a relação da textura com a decomposição de resíduos tem sido amplamente estudada, porém não há consenso na literatura sobre os efeitos desse atributo do solo na taxa de decomposição e liberação de nutrientes dos resíduos culturais. Se, por um lado, a maior quantidade de partículas de tamanho argila pode favorecer o aumento da decomposição do material orgânico devido ao aumento da
capacidade de retenção de água e troca de nutrientes, por outro lado, o aumento do teor de argila também pode reduzir os níveis de oxigênio do solo (Umar, 2010) e aumentar a proteção da matéria orgânica (Zinn et al., 2007) reduzindo a acessibilidade dos microrganismos heterotróficos ao substrato, o que reduziria a decomposição.
Assim como para a textura do solo, o efeito do modo de aplicação dos resíduos culturais no solo sobre a sua velocidade de decomposição é, as vezes, contraditório. De acordo com Aita et al. (2012), o aumento do contato do solo com os resíduos acelera a decomposição, pois facilita o acesso dos microrganismos decompositores à fonte de C e energia. Entretanto, Abiven e Recous (2007) não encontraram diferença significativa sobre a taxa de mineralização do C de resíduos de culturas quando os mesmos foram incorporados ou mantidos na superfície do solo. Já no estudo de Li et al. (2013), a taxa de decomposição dos resíduos de soja e milho colocados na superfície do solo foi maior do que quando os resíduos foram incorporados. As diferenças entre os tipos de resíduos e nas condições de solo e clima de cada estudo podem explicar tais discrepâncias (Giacomini et al., 2007) e evidenciam a dificuldade em extrapolar resultados de um local para outro.
O conhecimento da decomposição e liberação de nutrientes, em especial do N, é fundamental não apenas para poder avaliar o impacto do uso agrícola dos resíduos de tabaco na retenção de C no solo e na emissão de CO2 para a atmosfera, mas também para
estabelecer a dose a utilizar nas culturas. Diante da carência de informações de pesquisa sobre resíduos de tabaco, especialmente após a fermentação em estado sólido e às divergências existentes sobre como os atributos de solo e o modo de aplicação de resíduos interferem na decomposição e mineralização de nutrientes, o objetivo deste estudo foi avaliar, em condições controladas, a mineralização do C e do N de pó de tabaco e composto aplicados em superfície e incorporados em solos com características contrastantes.
3.3 MATERIAIS E MÉTODOS
O estudo constou da incubação de dois tipos de resíduos provenientes de indústria fumageira em dois tipos de solo com características contrastantes, principalmente no que se refere à classe textural e ao teor de matéria orgânica. A incubação foi conduzida durante 100 dias em condições controladas de temperatura e umidade, no Laboratório de
Biotransformações do C e do N (LABCEN), do Departamento de Solos da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM).
3.3.1 Coleta e principais características dos solos
Os solos foram coletados sobre camalhões de 40 cm de altura, recém construídos de duas áreas cultivadas há vários anos com tabaco. Foi descartado o solo dos primeiros 10 cm da superfície do camalhão e coletado o solo dos 20 cm seguintes. O solo I, classificado como Argissolo, de textura franca, com maior teor de argila e matéria orgânica, foi coletado na área experimental da empresa JTI (Japan Tobacco International), localizada no município de Santa Cruz do Sul/RS enquanto o solo II, classificado como Neossolo Flúvico de textura areia franca, com menor teor de argila e MO, foi coletado na área de um produtor de tabaco no município de Candelária/RS.
Após a coleta, os solos foram peneirados (4 mm ), submetidos à retirada manual de pedras e resíduos culturais e homogeneizados. Em seguida, os solos foram subamostrados e armazenados em temperatura ambiente durante 20 dias, até o início da incubação. Nas subamostras, foram realizadas análises químicas e físicas dos solos, cujos resultados estão apresentados na tabela 1. As análises químicas seguiram a metodologia de Tedesco et al. (1995) e a análise granulométrica foi realizada pelo método da pipeta (Embrapa, 2011)
3.3.2 Materiais orgânicos
Os materiais orgânicos utilizados no experimento foram o pó de tabaco in natura, constituído principalmente de aparas de tabaco, originadas no processamento do tabaco nas indústrias, e o material proveniente do tratamento deste pó de tabaco por meio de fermentação em estado sólido, que será denominado no presente trabalho de “composto”. Ambos foram obtidos junto à unidade de compostagem de resíduos de tabaco operada pela FUPASC. Subamostras do pó de tabaco e do composto foram submetidas à secagem em estufa a 65ºC até atingir peso constante para determinação da matéria seca. Após a secagem, o material foi pesado e moído finamente em almofariz para determinação dos teores de C e N total por combustão seca em autoanalisador elementar (Flash EA 1112, Thermo Finnigan, Milan, Italy).
A determinação de N mineral foi feita conforme a metodologia descrita em Tedesco et al. (1995), pesando-se 2 g de cada material orgânico, acondicionados em
frascos de 150 mL, aos quais foram adicionados 60 mL de solução KCl 1 M sendo posteriormente agitados em agitador horizontal durante 30 minutos. Após a extração, o sobrenadante foi filtrado e os teores de NH4+ e NO3- foram analisados por colorimetria
em analisador de fluxo contínuo (CFA, San Plus, Skalar, Breda, Holanda).
A fração solúvel em água foi determinada conforme a metodologia descrita em Aita et al. (1997), pesando-se 1 g de cada resíduo e adicionando 80 mL de água deionizada, com a solução sendo agitada por 30 minutos. Após a extração, o sobrenadante permaneceu 20 minutos decantando e foi filtrado (1 a 2 μm) com auxílio de bomba de vácuo. As concentrações de C e N solúvel foram analisadas utilizando um analisador de carbono orgânico total (TOC) equipado com um kit para análise de N (Shimadzu TOC-LCPH, Shimadzu, Kyoto, Japão). As principais características do pó de tabaco e do composto são apresentadas na tabela 2.
3.3.3 Experimentos de incubação
Duas incubações foram conduzidas simultaneamente, sendo uma para analisar a dinâmica de mineralização do C e outra para monitorar a mineralização do N após a aplicação dos materiais orgânicos nos dois solos. Os tratamentos consistiram da combinação de dois tipos de solo (Argissolo e Neossolo Flúvico), dois tipos de materiais orgânicos (pó de tabaco e composto) e dois modos de aplicação dos mesmos no solo (aplicação superficial e incorporado), resultando em 10 tratamentos: T1 - Testemunha, sem adição de material orgânico; T2 - Composto incorporado; T3 - Composto na superfície; T4 - Pó de tabaco incorporado e T5 - Pó de tabaco na superfície, para o solo I e os mesmos tratamentos (T6 a T10) para o solo II. O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado, com quatro e três repetições para a avaliação da mineralização do C e do N, respectivamente.
As unidades experimentais foram montadas em recipientes de acrílico com 5 cm de diâmetro e 110 mL de capacidade e acondicionadas em incubadora na ausência de luz e temperatura de 25ºC. Cada unidade experimental recebeu uma amostra de 88,38 g de solo seco, com capacidade de campo ajustada para 80%, e densidade 1 g cm3. As quantidades de pó de tabaco e de composto aplicadas em cada recipiente foram de 1,28 g e 2,39 g, equivalentes a 6,5 e 12 Mg ha-1 em base úmida e a 6,0 e 7,6 Mg ha-1 em base seca, o que corresponde à aplicação de aproximadamente 200 kg ha-1 de N total.
3.3.3.1 Mineralização do carbono
As emissões de dióxido de carbono (CO2) foram determinadas através da captura
do CO2 em solução alcalina. Para isso, cada unidade experimental (frascos em acrílico)
contendo os tratamentos foi colocada individualmente no interior de um frasco de vidro com capacidade de 1000 mL, o qual foi mantido hermeticamente fechado nos períodos entre as avaliações. No interior e na parte inferior de cada frasco de 1000 mL foi colocado um frasco de vidro com capacidade de 10 mL contendo água destilada, com a finalidade de manter úmida a atmosfera interna do sistema. Na parte superior do frasco de 1000 mL também havia uma armação de arame na qual era preso um frasco de vidro contendo 10 mL de NaOH 1 mol L-1, para capturar o CO2 liberado do solo. Em cada coleta, o excesso
de NaOH foi titulado com HCl 1 M, após a adição de BaCl2 2 M e fenolftaleína (Stotzky,
1965). Além dos tratamentos, avaliou-se também a concentração de CO2 da atmosfera
interna dos frascos de 1000 mL, colocando-se no seu interior apenas o frasco com NaOH (prova em branco).
A titulação do excesso de NaOH foi realizada após 1, 2, 4, 7, 11, 16, 23 e 30 dias no primeiro mês do experimento e, posteriormente, em intervalos de 15 dias, até os 100 dias da incubação. Em cada avaliação, os frascos de 1000 mL contendo as unidades experimentais permaneciam abertos por 30 minutos para permitir a aeração do sistema. Passado esse tempo, foram colocados novos frascos com NaOH e os frascos de vidro foram novamente fechados hermeticamente. O conteúdo de água no solo foi verificado através da pesagem periódicas das unidades experimentais e, quando necessário, foi adicionada água destilada.
A mineralização aparente do C adicionado foi calculada pela diferença entre a quantidade de C-CO2 acumulada nos tratamentos com pó de tabaco e composto e a
quantidade de C-CO2 acumulada nas suas respectivas testemunhas (solo sem adição de
material orgânico). A percentagem de C mineralizado em cada período de tempo de amostragem foi calculada conforme a equação:
% C min =C − CO2 (trat. ) − C − CO2 (test. )
3.3.3.2 Mineralização do nitrogênio
Para a avaliação da mineralização do N, as três repetições de cada tratamento foram colocadas em um único frasco de vidro com capacidade de 2.000 mL. Foram montados seis conjuntos com 10 tratamentos e três repetições, totalizando 180 unidades experimentais. No interior dos recipientes de vidro, contendo as unidades experimentais, foi colocado um frasco de 10 mL, contendo água destilada, com a finalidade de manter a úmida atmosfera interna do recipiente durante a incubação. Para evitar a deficiência de O2, os recipientes foram aerados periodicamente. A umidade do solo foi verificada
periodicamente através da pesagem das unidades experimentais e, quando necessário, foi adicionado água destilada.
As avaliações de N mineral do solo (NH4+ + NO3-) foram realizadas no momento
da instalação do experimento (tempo zero) e posteriormente, aos 7, 14, 28, 63 e 100 dias de incubação. Em cada uma das seis amostragens realizadas um conjunto era analisado e descartado. Em cada amostragem, o N mineral do solo foi extraído por agitação com KCl 1 mol L-1 durante 30 minutos,seguido da decantação, filtração e destilação dos extratos em destilador de arraste de vapores do tipo semi-micro Kjeldahl na presença de óxido de magnésio e liga de Devarda, titulando-se o destilado com H2SO4 (Tedesco et al., 1995).
Em cada amostragem também foi determinada a umidade gravimétrica do solo, secando-se as amostras em estufa a 105 ºC durante 24 horas.
O percentual de N mineralizado em relação ao N orgânico que foi adicionado em cada solo com o pó de tabaco e o composto foi calculado diminuindo-se da variação ocorrida nos teores de N mineral a cada duas amostragens sucessivas nesses tratamentos a variação no N mineral ocorrida no solo das respectivas testemunhas. O resultado desse cálculo foi dividido pela quantidade de N orgânico adicionado ao solo com os respectivos resíduos, conforme a equação:
% N min =∆N min. (trat. ) − ∆N min. (test. )
N org. aplicado x 100
3.3.4 Análise estatística
Os dados foram submetidos à análise da variância (ANOVA). Utilizou-se contrastes ortogonais para comparar a mineralização do C e do N entre: a) aplicação ou não dos resíduos orgânicos; b) tipos de resíduo (pó de tabaco x composto orgânico); c) modo de aplicação dos resíduos (incorporado x superfície); d) tipos de solo (Argissolo e x Neossolo Flúvico Os dados foram analisados pelo software estatístico SISVAR® (versão 5.6).
3.4 RESULTADOS
3.4.1 Mineralização do carbono dos resíduos orgânicos
A atividade microbiana do solo, avaliada por meio da liberação de CO2,
aumentou com a adição do pó de tabaco e do composto, em relação ao tratamento testemunha, independentemente do tipo de solo e do modo de aplicação dos resíduos orgânicos no solo. Em ambos os solos e nos dois tipos de resíduos orgânicos, a liberação de CO2 ocorreu em duas fases distintas. A primeira, com fluxos de CO2 mais elevados,
ocorreu nos primeiros 30 dias enquanto a segunda, a partir do 30º dia e até o final do experimento, os fluxos de CO2 foram baixos e próximos ao tratamento testemunha
(Figuras 1A e 1B).
A cinética de liberação de CO2 foi similar entre os dois solos, porém diferiu
conforme o tipo de resíduo orgânico e a sua localização no solo. O maior fluxo de CO2
de todo o período experimental ocorreu no tratamento com pó de tabaco incorporado e apenas um dia após o início da incubação, sendo de 17,2 mg C kg-1 SS h-1 no solo I (Figura 1A) e de 18,9 mg C kg-1 SS h-1 no solo solo II (Figura 1B). Nesse mesmo tratamento, os fluxos de CO2 se mantiveram elevados na avaliação feita no segundo dia da incubação e
diminuíram rapidamente a seguir, atingindo valores próximos a 4 mg C kg-1 SS h-1 em ambos os solos na avaliação feita aos sete dias de incubação. Nos outros três tratamentos com resíduos orgânicos, os fluxos de CO2 nos dois solos aumentaram do primeiro para o
segundo dia, onde foi observado o maior pico na emissão desse gás. O tratamento cujos fluxos de CO2 flutuaram menos durante a primeira semana de incubação foi aquele com
a aplicação do composto na superfície de ambos solos, variando na faixa de 4,1 a 5,8 mg C kg-1 SS h-1 no solo I e de 4,0 a 6,2mg C kg-1 SS h-1 no solo II.
Como a quantidade de C adicionada ao solo não foi a mesma com os dois tipos de resíduo orgânico, sendo 11% maior com o composto (Tabela 2), os fluxos de CO2
(Figuras 1A e 1B) dos tratamentos com adição de resíduos foram expressos como uma proporção do C adicionado (Figuras 1C e 1D), a partir da qual foi calculada a percentagem do C adicionado que foi convertida em CO2 durante os 100 dias de incubação (Figuras
1E e 1F). Da quantidade total de C que foi mineralizada em 100 dias nos dois solos e na média dos quatro tratamentos, cerca de 34% ocorreu nos primeiros 23 dias.
Os resultados dos contrastes ortogonais (Tabela 3) indicaram que a quantidade de C adicionada nos dois solos e que foi mineralizada ao final da incubação, aos 100 dias, não foi afetada pelo tipo de solo (contraste A, B, C, D x E, F, G, H) e nem pelo modo de aplicação dos resíduos orgânicos no solo (contrastes A x B, C x D, E x F e G x H). Apenas o tipo de resíduo orgânico afetou significativamente a mineralização do C, com uma mineralização média de 44% do C adicionado pelo pó de tabaco, contra 36% de mineralização do C adicionado pelo composto (contrastes A, B x C, D e E, F x G, H). Embora apenas o tipo de resíduo orgânico tenha afetado a mineralização do C no final da incubação, a mineralização do C variou também em função do tipo de solo e da localização dos resíduos no solo na fase inicial de decomposição dos resíduos orgânicos (Tabela 3). Nas amostragens realizadas até os 16 dias, a mineralização do C adicionado pelos dois resíduos foi maior no solo II do que no solo I (contraste A, B, C, D x E, F, G, H).
O efeito da localização do composto em ambos os solos sobre a mineralização do C foi observado somente até o 23º dia de incubação (contrastes A x B e E x F). A incorporação resultou na maior mineralização de C inicialmente; porém, a partir dessa data, não houve mais diferença entre incorporar ou aplicar os resíduos na superfície do solo. Em relação ao pó de tabaco, o efeito positivo da incorporação sobre a mineralização de C foi observado até os 11 dias no -solo I e 16 dias de incubação no solo II (contrastes C x D e G x H).
3.4.2 Mineralização do nitrogênio do solo e dos resíduos orgânicos
A mineralização do N da matéria orgânica (MOS) dos dois solos avaliados (testemunhas) ocorreu de forma lenta e gradual, com o teor de N mineral tendo aumentado em 100 dias de incubação de 16,6mg kg-1 SS para 56,5 mg kg-1 SS no solo I e de 28,5 mg
kg-1 SS para 65,7 mg kg-1 SS no solo II. Portanto, a variação líquida no teor de N mineral ocorrida nos dois solos foi de 39,9 mg kg-1 SS no solo I e 37,2 mg kg-1 SS no solo II.
Contrariamente ao observado no tratamento testemunha, a quantidade de N mineral do solo diminuiu nos tratamentos com resíduos orgânicos durante os primeiros sete dias de incubação (Figura 2A e 2B). Esse efeito ocorreu nos dois solos avaliados e nos dois modos de aplicação dos resíduos no solo. Na média dos tratamentos com incorporação e aplicação superficial do pó de tabaco, o N mineral diminuiu de 100,7 mg kg-1 SS no tempo zero para 92,3 mg kg-1 SS no 7o dia de incubação no solo I (Figura 2A) e de 115,4 para 106,7 mg kg-1 SS no solo II (Figura 2B). No tratamento com composto, essa diminuição foi de 77 para 35,7 mg kg-1 SS no solo I e de 82,5 para 53,1 mg kg-1 SS no solo II. Após esse período inicial, o N mineral aumentou no solo dos tratamentos com aplicação dos dois resíduos orgânicos, atingindo aos 100 dias 215,6 mg kg-1 SS na média
dos dois tratamentos com pó de tabaco no solo I e 225,1 mg kg-1 SS no solo II. Na média
dos dois tratamentos com composto, a quantidade de N mineral acumulada no solo aos 100 dias foi de 176,2 mg kg-1 SS no solo I e de 154,7 mg kg-1 SS no solo II.
A variação ocorrida a cada duas amostragens sucessivas nas quantidades de N mineral em cada solo nos tratamentos com pó de tabaco e composto foi diminuída dessa mesma variação ocorrida no solo do tratamento testemunha (Figura 2 A, B), com o resultado desse cálculo sendo dividido pela quantidade de N orgânico adicionado ao solo com os respectivos resíduos (Tabela 2). Com isso, foi possível eliminar o efeito sobre o acúmulo de N mineral da adição de 16% a mais de N orgânico com o composto do que com o pó de tabaco (Tabela 2), convertendo-se o N mineral acumulado (Figura 2 A, B) em N mineralizado (Figura 2 C, D) e este expresso como uma porcentagem do N orgânico adicionado (Figura 2 E, F). Valores negativos para esse cálculo indicam a ocorrência de imobilização líquida de N, enquanto valores positivos indicam mineralização líquida.
Todos os tratamentos com adição de resíduos orgânicos, independente do solo e do modo de aplicação no solo, provocaram imobilização líquida de N na fase inicial de decomposição (primeiros sete dias) (Figura 2 E, F; Tabela 4). Aos 14 dias, nos dois tratamentos com pó de tabaco e nos dois solos, o processo de mineralização bruta superou o de imobilização bruta, resultando em mineralização líquida de N (Figura 2 E, F). Nessa mesma data, os dois tratamentos com composto ainda provocaram imobilização líquida de N no solo I (Figura 2 E) e um equilíbrio entre os processos brutos de mineralização e imobilização de N no solo II (Figura 2 F). Aos 28 dias, apenas o tratamento com incorporação do composto no solo I ainda estava em regime de imobilização líquida de
N (Figura 2 E). Após 28 dias, ocorreu mineralização líquida de N em todos os tratamentos avaliados.
O efeito dos tratamentos sobre a proporção do N orgânico que foi mineralizado variou ao longo da incubação (Tabela 4). Ao final da incubação, apenas o tipo de resíduo afetou significativamente a mineralização do N em ambos os solos, com o pó de tabaco tendo mineralizado mais N do que o composto (Tabela 4, contrastes A, B x C, D e E, F x G, H). O tipo de solo só teve efeito na mineralização do N dos materiais orgânicos até a amostragem feita aos 28 dias (contraste A, B, C, D x E, F, G, H). Nesse período, o solo II imobilizou menos N e mineralizou mais N. Entre 63 e 100 dias praticamente não ocorreu mineralização do N dos materiais orgânicos, uma vez que já haviam sido mineralizados 16,0% do N adicionado no solo I e 15,0% no solo II aos 63 dias. Na média dos dois solos e dos dois modos de aplicação dos resíduos no solo, a mineralização do N do pó de tabaco foi de 20,4% e a do composto de 12,0%.
No solo 2, com teor de argila 7,6 vezes menor do que o solo I (Tabela 1), a localização dos resíduos no solo (aplicação superficial ou incorporação) não afetou a mineralização do N de ambos os resíduos em nenhuma das amostragens realizadas (Tabela 4, contrastes E, F x G, H). Já no solo I, o efeito da localização no solo foi significativo para o pó de tabaco em todas as amostragens realizadas, com a aplicação superficial imobilizando mais N do que a incorporação nos primeiros sete dias e mineralizando mais N nas amostragens seguintes (contraste C x D). Para o composto, a sua incorporação no solo imobilizou mais N do que a aplicação superficial até 28 dias, sem diferenças nas amostragens realizadas aos 63 e 100 dias (contraste A x B).
3.5 DISCUSSÃO
3.5.1 Mineralização do C
3.5.1.1 Efeito do tipo de resíduo orgânico
A adição de carbono, nutrientes e energia com o pó de tabaco e o composto aumentou a atividade microbiana heterotrófica nos dois solos, resultando no aumento na liberação de CO2, em relação ao tratamento testemunha. Esse estímulo à população
microbiana tem sido observado em diferentes tipos de solo, com adição de resíduos orgânicos de origem diversa como, por exemplo, palha de aveia (Giacomini et al., 2008),
esterco de aves (Khalil et al., 2005) e composto, produzido a partir de dejetos de suínos (Rangel, 2016).
A cinética de mineralização do C dos dois materiais orgânicos avaliados seguiu o padrão normalmente observado para diferentes materiais orgânicos (Angers e Recous, 1997; Coppens et al., 2006), com fluxos de CO2 mais elevados nos primeiros dias de
incubação, seguida de uma fase com liberação de CO2 a taxas cada vez menores, até a sua
estabilização em valores próximos aos observados para a mineralização da MOS no tratamento testemunha. Essa dinâmica observada na mineralização do C dos materiais orgânicos está relacionada à presença nos mesmos, de constituintes com diferentes graus de resistência à decomposição (Wu e Ma, 2002). Inicialmente, os microrganismos atacam os compostos mais lábeis, presentes na fração solúvel em água (Cotrufo et al., 2013). Após a exaustão dessa fração, compostos orgânicos progressivamente mais recalcitrantes como celulose, hemicelulose e lignina são metabolizados por populações microbianas específicas e especializadas, o que resulta na redução das taxas de liberação de CO2
(Angers e Recous, 1997; Aita e Giacomini, 2003; Giacomini et al., 2008).
A cinética de mineralização do C de materiais orgânicos no solo é variável em função da sua natureza e do tratamento a que os mesmos foram submetidos (Sarma et al., 2017). Por isso, a maior mineralização do C do pó de tabaco em relação ao composto pode ser atribuída ao tratamento a que pó de tabaco foi submetido antes da sua adição ao solo. O carbono mais lábil presente no pó de tabaco deve ter sido consumido pela população microbiana heterotrófica durante a etapa inicial, de dois ou três dias, em que o pó foi impregnado com uma solução de microrganismos nas leiras e durante a etapa seguinte, em que o material foi submetido ao processo de fermentação em estado sólido pelo período de aproximadamente 90 dias em pilhas estáticas. Embora não tenham sido encontrados estudos comparando o efeito da fermentação em estado sólido de resíduos orgânicos sobre a sua decomposição posterior no solo, a comparação entre a mineralização do C de materiais orgânicos in natura, digeridos anaerobicamente e compostados, indicam a menor decomposição do material compostado e digerido anaerobicamente no solo, em função do aumento no grau de recalcitrância do C através desses processos de tratamento (Grave et al., 2015; Viaene et al., 2017). O C orgânico que foi adicionado ao solo com resíduos orgânicos e que não foi mineralizado até o final da incubação representa uma contribuição para a matéria orgânica estável do solo (Bustamante et al., 2010), embora uma fração possa permanecer reciclando na biomassa microbiana. Isso indica que, com a adição de quantidades equivalentes de C ao solo
através dos dois materiais orgânicos avaliados no presente estudo, o composto deve contribuir mais ao acúmulo de matéria orgânica no solo do que o pó de tabaco. Para cada tonelada de C adicionada ao solo, a quantidade que permaneceria no solo aos 100 dias de incubação em condições ótimas de temperatura e umidade seria, em média, de 640 kg ha
-1 no composto e de 560 kg ha-1 no pó de tabaco.
3.5.1.2 Efeito do tipo de solo
Apesar de significativa, a diferença entre os dois solos quanto à mineralização do C dos resíduos orgânicos foi pequena e existiu somente na fase mais ativa de decomposição, durante os primeiros 16 dias de incubação. A maior mineralização do C observada nesse período no solo II, de textura mais arenosa, está de acordo com outros estudos como, por exemplo, o de Abdelhafez et al. (2018), Frøset e Bleken (2015) e Mtambanengwe et al. (2004). A maior decomposição de resíduos orgânicos em solos mais arenosos, como no solo II do presente estudo, tem sido atribuída, principalmente à sua porosidade e à baixa interação entre partículas orgânicas e minerais. No trabalho de Mtambanengwe et al. (2004), os autores afirmaram que a decomposição da matéria orgânica fresca é governada pela acessibilidade física dos microrganismos, que é influenciada pela textura e distribuição do tamanho de poros. A maior proporção de poros com diâmetros inferiores a 0,75 µm, nos solos com maior teor de argila testados, foram responsáveis pela proteção dos ácidos orgânicos da decomposição microbiana, resultando em menores emissões de CO2 e decomposição dos substratos adicionados, em relação a
solos menos argilosos.
A difusão também pode ser um mecanismo associado ao tipo de solo e que afeta a decomposição de resíduos vegetais no solo. Para a degradação do substrato orgânico, bactérias devem produzir inicialmente enzimas extracelulares, as quais devem atingir o substrato, com o produto dessa ação tendo que retornar por difusão até a bactéria. Em solos com maior teor de argila, essa difusão é dificultada devido a maior tortuosidade e a elevada área superficial específica (Frøset e Blecken, 2015), podendo reduzir a taxa de decomposição. Enquanto solos com maior conteúdo de argila podem ter menor disponibilidade de oxigênio (O2) (Umar, 2010), solos mais arenosos têm maior
macroporosidade, o que facilita a aeração (Reinert e Reichert, 2006). Assim, o uso do O2
apresenta elevada eficiência energética, o que favorece o crescimento microbiano e aumenta a taxa de decomposição dos materiais orgânicos no solo (Paul, 2007).
Solos de textura mais fina, com maior conteúdo de argila e silte, tendem a estabilizar o carbono orgânico através de mecanismos de interação organo-mineral (Ye et al., 2017), limitando a decomposição. Em geral, a estabilização da matéria orgânica aumenta com o teor de argila, devido a maior área superficial específica das partículas, que proporcionam uma estabilização química (Chivenge et al., 2011) do C orgânico. Esses mecanismos de interação entre os componentes orgânicos e minerais envolvem, além da sorção do C orgânico na forma solúvel e coloidal na superfície das argilas, a retenção do C orgânico na forma particulada intra e inter agregados (Zinn et al., 2007). Além disso, solos com predomínio de argila e silte possuem mais pontes catiônicas resultando em maior ligação entre as moléculas orgânicas e as partículas minerais. Essas pontes ocorrem devido a presença de Ca2+ nos solos neutros ou alcalinos, Al3+ em solos
ácidos e adsorção de materiais em superfícies dos óxidos de ferro (Oades, 1988).
Outros fatores que podem ter contribuído para a maior mineralização do C do composto e do pó de tabaco na fase inicial da decomposição no solo mais arenoso foram os teores mais elevados de fósforo (P) (252,8 x 5,4 mg dm-3) e de N mineral (28,5 x 16,6 mg kg-1 SS) nesse solo (Tabela 1). No estudo realizado por Vinhal-Freitas et al. (2012), a adição de P em solos do cerrado brasileiro aumentou a taxa de respiração do solo. Da mesma forma, Bittar et al. (2013) atribuíram à quantidade de fósforo disponível no solo o aumento verificado na taxa respiratória da microbiota após a adição de resíduos em um solo de textura arenosa. A relação entre a disponibilidade de N no solo e o aumento da decomposição de materiais orgânicos, sobretudo daqueles com relação C/N elevada, tem sido demonstrada em alguns estudos (Recous et al., 1995). A baixa relação C/N do pó de tabaco e do composto (Tabela 1) não é indicativo de que os mesmos estavam humificados, mas sim se deve ao fato dos materiais orgânicos conterem partículas de solo (as folhas inferiores de tabaco na planta têm contato com o solo no campo), o que reduz a concentração em C, diminuindo a C/N. Portanto, mesmo com C/N próxima de 10/1 (Tabela 1), a decomposição dos resíduos no solo arenoso pode ter sido favorecida pela maior disponibilidade em N mineral. Essa maior disponibilidade de N mineral no solo mais arenoso (solo II) não era esperada e se deve, provavelmente, ao fato da área onde foi coletado o solo ter sido cultivada com a leguminosa Crotalaria juncea nos meses que antecederam a coleta. A planta foi incorporada ao solo como adubo verde e no momento
da coleta do solo para a incubação a presença de resíduos culturais da leguminosa ainda era perceptível.
3.5.1.3 Efeito da localização dos resíduos orgânicos no solo
Em geral, a manutenção dos resíduos orgânicos na superfície do solo dificulta a sua colonização pela população microbiana (Coppens et al., 2006), enquanto a sua incorporação ao solo facilita o acesso dos microrganismos à fonte de C e energia, além de favorecer a difusão da água e de nutrientes, como o nitrato até o local de decomposição ativa (Aita et al., 2012; Garnier et al., 2008). Por isso, a incorporação do pó de tabaco e do composto aumentou a mineralização do C de ambos os resíduos, com um comportamento semelhante nos dois solos avaliados. Entretanto, esse efeito foi restrito aos primeiros dias de incubação, mais especificamente até 16 dias para o pó de tabaco e 23 dias para o composto, corroborando resultados observados por Abiven e Recous (2007). Após esse período, é provável que a população microbiana tenha conseguido acessar a fonte de C, energia e nutrientes presentes nos resíduos colocados na superfície, realizando a sua decomposição. Isso porque, fungos, através das suas hifas conseguem colonizar os resíduos, mesmo quando o contato com o solo é reduzido (Frey et al., 2000).
Os resultados observados nesse estudo estão de acordo com estudos anteriores, que encontraram maiores taxas de mineralização do carbono quando vários tipos de resíduos foram incorporados ao solo em comparação com a aplicação em superfície (Ali e Nabi, 2016; Giacomini et al., 2007). Entretanto, divergem de outros estudos, onde as taxas de decomposição para os resíduos de soja e milho colocados na superfície foram maiores que as dos mesmos resíduos incorporados no solo. Nesse caso, os autores sugeriram que a incorporação dos resíduos pode ter diminuído a difusividade de oxigênio no solo, limitando a atividade dos microrganismos decompositores (Li et al., 2013). Em outro estudo realizado por Giacomini et al. (2008), a incorporação dos dejetos líquidos de suínos, da cama sobreposta de suínos e da palha de aveia não aumentou a mineralização do C dos materiais orgânicos, quando comparada à sua manutenção na superfície do solo. Diferenças na composição dos materiais orgânicos avaliados nos diferentes estudos, bem como condições distintas dos solos utilizados, podem ser a causa dessas discrepâncias observadas.
A influência da redução do contato do solo com os resíduos orgânicos parece ser menos importante para materiais facilmente degradáveis (Breland, 1994). Por outro lado,
quanto menor o teor de N nos resíduos, maior será a influência da localização sobre a decomposição, pois o contato dos resíduos com o solo regula a disponibilidade de N aos microrganismos que atuam nesse processo (Giacomini et al., 2008). É provável que o N presente em materiais orgânicos de baixa relação C/N seja suficiente para suprir a demanda dos microrganismos decompositores, diminuindo o efeito da localização dos resíduos sobre a sua taxa de decomposição. Esse parece ser o caso do presente estudo, em que os materiais orgânicos utilizados apresentaram relação C/N baixa e muito próxima entre eles.
3.5.2 Mineralização do N
3.5.2.1 Efeito do tipo de resíduo orgânico
A imobilização de N observada logo após a adição do pó de tabaco e do composto nos dois solos avaliados corrobora com resultados de outros estudos, como, por exemplo, o de Hadas et al. (2004), sendo justificada pelo estímulo à população microbiana pela adição de substratos ricos em C e energia, o que aumenta a demanda microbiana pelos nutrientes disponíveis (Masunga et al., 2016). Geralmente, a adição ao solo de resíduos orgânicos com baixa relação C/N resulta em mineralização líquida de N (Flavel e Murphy, 2006), uma vez que o fornecimento de N pelos resíduos excede a demanda metabólica de N pelos microrganismos decompositores, com o excesso de N sendo liberado para o solo (Chen et al., 2014). Todavia, isso não foi observado na fase inicial de decomposição nos dois solos avaliados em nosso estudo onde, apesar da baixa relação C/N dos dois materiais orgânicos, ocorreu imobilização líquida de N. Isso reforça a afirmação de Mohanty et al. (2011) de que resíduos de relação C/N semelhantes podem mineralizar quantidades diferentes de N, já que a C/N não reflete as eventuais diferenças na composição bioquímica dos materiais orgânicos. Por isso, Hadas et al. (2004) concluíram que, ao invés de avaliar os teores totais de C e N em resíduos de plantas e relacioná-los com a dinâmica de imobilização do N, é necessário avaliar a degradabilidade destes dois elementos.
Apesar do pó e do composto possuírem relação C/N muito próximas, os dois resíduos diferiram quanto à dinâmica do N no solo durante a incubação, com o composto tendo provocado mais intensa e duradoura imobilização líquida de N do que o pó de tabaco. Já a mineralização líquida de N na fase final do experimento foi maior no pó de
tabaco do que no composto. Embora ela não tenha sido avaliada neste estudo, é provável que a composição bioquímica seja distinta entre dois resíduos orgânicos e isso justifique as diferenças observadas na dinâmica do N mineral após a adição de ambos no solo. As proporções entre celulose, hemicelulose, lignina e polifenóis podem afetar a estrutura e a atividade da população microbiana atuante na decomposição dos resíduos orgânicos, com reflexos nos processos de mineralização/imobilização de N (Hadas et al., 2004). A presença de lignina ou C recalcitrante pode reduzir a taxa de mineralização de N (Vigil e Kissel, 1991), uma vez que restringe o crescimento microbiano. Por isso, em estudos futuros é importante determinar a composição bioquímica do pó de tabaco e do composto e relacioná-la com a decomposição e liberação de N no solo.
A expectativa era de que a adição do pó estimulasse inicialmente mais o crescimento microbiano devido a maior proporção de componentes lábeis comparado ao composto, refletindo em maior imobilização de N. Sabe-se que a compostagem de resíduos tende a estabilizar os compostos orgânicos e diminuir as proporções de formas solúveis de C e N (Flavel e Murphy, 2006). Outras possíveis causas podem ser enumeradas na tentativa de explicar a maior imobilização de N provocada pelo composto. Apesar do composto possuir menor C total que o pó (Tabela 2) a adição de C ao solo com o composto foi 596 mg kg-1 SS (12 %) maior do que com o pó de tabaco, o que pode ter estimulado o consumo de N pela biomassa microbiana, tornando o processo de imobilização mais intenso do que o de mineralização de N (Azeez e Averbeke, 2010). A inoculação do pó de tabaco com microrganismos na etapa inicial de impregnação do mesmo pode ter contribuído para aumentar a população microbiana no composto e a interação dessa população microbiana com aquela já presente no solo pode ter influenciado na dinâmica do ciclo dos nutrientes, e favorecido a imobilização de N, conforme observado por Viaene et al. (2017).
O tratamento a que foi submetido o pó de tabaco até a produção do composto pode ter alterado a estrutura da população microbiana no solo após a adição dos dois resíduos orgânicos. Já é sabido, por exemplo, que a predominância de bactérias em relação à população de fungos, aumenta a demanda em N mineral, podendo impactar no aumento da imobilização de N (Sylvia et al., 1998). A caracterização bioquímica do pó de tabaco e do composto e a análise do efeito de ambos sobre a estrutura da população microbiana do solo, através de métodos moleculares, são ferramentas que podem proporcionar uma melhor compreensão da dinâmica do N no solo após a adição destes materiais orgânicos em estudos futuros.
A imobilização microbiana de N, que ocorreu na fase inicial de decomposição dos resíduos, é um processo transitório no solo. A medida que os compostos mais lábeis vão sendo degradados, começa a escassear a disponibilidade de C e energia, ocorrendo a morte de parte da população microbiana, que passa a ser decomposta pela população remanescente (Chen et al., 2014). Nesse processo de reciclagem microbiana, parte do N que foi originalmente imobilizado passa a ser remineralizado reaparecendo no solo como N amoniacal, que rapidamente é nitrificado (Azeez e Averbeke, 2010). Esse processo de remineralização ocorreu após sete e 14 dias para o pó de tabaco e o composto no solo II e após sete e 28 dias no solo I, respectivamente.
Essa imobilização inicial de N com a rápida remineralização ocorrida nos dois resíduos orgânicos pode ser um aspecto positivo no sentido de melhorar a eficiência de ambos no fornecimento de N às culturas. Se a semeadura for efetuada logo após a aplicação dos resíduos, a demanda inicial de N pelas mesmas é muito pequena e a imobilização do nutriente, mantendo-o na forma orgânica, evita que o mesmo seja perdido por volatilização, desnitrificação e lixiviação. Quando o N retorna à solução do solo via remineralização, o sistema radicular das culturas já estará em desenvolvimento e poderá assimilar o nutriente liberado.
A decomposição e liberação de N de resíduos da indústria de produção de tabaco da Turquia também foi avaliada por Hadas et al. (2004) em uma incubação conduzida sob condições controladas de temperatura e umidade. Em função do teor de matéria seca e da relação C/N, praticamente idênticos aos do presente estudo, presume-se que o resíduo avaliado por esses autores seja equivalente ao pó de tabaco aqui avaliado. Apesar dessa semelhança entre os dois resíduos, a quantidade de N mineralizada durante as 12 semanas de incubação no estudo de Hadas et al. (2004) foi de 45%, o que é 2,25 vezes maior do que a mineralização do N do pó de tabaco encontrada neste estudo (20%). Tais diferenças na mineralização do N podem ser atribuídas a três fatores principais. Eventuais diferenças no processamento das folhas pelas indústrias da Turquia e pelas indústrias brasileiras que geraram o pó de tabaco podem afetar a sua composição bioquímica, afetando a decomposição e liberação de nutrientes no solo. Diferenças nas características dos solos utilizados em cada incubação podem afetar a estrutura e a atividade da população microbiana decompositora. Outro aspecto importante, com reflexos sobre a taxa de decomposição de materiais orgânicos no solo, é a temperatura. O fato de Hadas et al. (2004) terem conduzido a sua incubação a 30oC, contra 25oC no presente estudo, deve ser
